CN118392065A

CN118392065A - 基于光纤光栅传感器的增敏部件及管道压力监测方法

Info

Publication number: CN118392065A
Application number: CN202410853807.3A
Authority: CN
Inventors: 吴磊; 梁源; 肖文生; 刘超; 陈迩齐; 魏晓康; 冯启航; 王帅
Original assignee: China University of Petroleum East China
Current assignee: China University of Petroleum East China
Priority date: 2024-06-28
Filing date: 2024-06-28
Publication date: 2024-07-26
Anticipated expiration: 2044-06-28
Also published as: CN118392065B

Abstract

本发明提供了一种基于光纤光栅传感器的增敏部件及管道压力监测方法，涉及光纤光栅传感器技术领域，增敏部件包括：管夹和双三角光纤光栅传感器；管夹为环形且具有开口，双三角光纤光栅传感器连接于开口的两端，增敏部件套设于待测管道壁上；双三角光纤光栅传感器由四个连接臂和拱桥形应变梁构成，四个连接臂和拱桥形应变梁一体成型，四个连接臂构成两个顶点相对的等腰三角形，四个连接臂的一端固定于双三角光纤光栅传感器上，每两个连接臂的另一端相交于一点形成等腰三角形的顶点，拱桥形应变梁连接两个顶点，拱桥形应变梁上封装FBG传感器。本发明的技术方案克服现有技术中对管道监测灵敏度不高、难以将传感器安置于管道表面的问题。

Description

基于光纤光栅传感器的增敏部件及管道压力监测方法

技术领域

本发明涉及光纤光栅传感器技术领域，具体涉及一种基于光纤光栅传感器的增敏部件及管道压力监测方法。

背景技术

管道监测是油气管道运输中至关重要的部分。由于管道周边环境复杂，突发状况较多，极易引发误报甚至失效，造成管道极大的安全隐患。国内的管道工业起步较晚，针对管道的检测技术相对落后，能直接应用于管道无损检测的传感器相对较少。目前在管道压力监测中，使用裸光纤光栅测量管道压力变化引起的管壁应变的方式存在以下不足：（1）管壁应变测量效果不佳，应变灵敏度通常只有1.2pm/με。（2）在工程应用中，裸光纤光栅极其脆弱，易受到破坏。（3）难以直接安置于管道表面。（4）测量精度易受到环境以及固定效果影响。

因此，现需要一种能够对管道进行无损检测、灵敏度较高的基于光纤光栅传感器的增敏部件及管道压力监测方法。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种基于光纤光栅传感器的增敏部件及管道压力监测方法，以解决现有技术中对管道监测灵敏度不高、难以将传感器安置于管道表面的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于光纤光栅传感器的增敏部件，包括：管夹和双三角光纤光栅传感器；管夹为环形且具有开口，双三角光纤光栅传感器连接于开口的两端，增敏部件套设于待测管道壁上；双三角光纤光栅传感器由四个连接臂和拱桥形应变梁构成，四个连接臂和拱桥形应变梁一体成型，四个连接臂构成两个顶点相对的等腰三角形，四个连接臂的一端固定于双三角光纤光栅传感器上，每两个连接臂的另一端相交于一点形成等腰三角形的顶点，拱桥形应变梁连接两个顶点，拱桥形应变梁上封装FBG传感器。

进一步地，管夹与待测管道壁相接触的内壁为圆形，管夹的外壁为八边形。

进一步地，拱桥形应变梁的厚度由与连接臂的连接处向中间逐渐变薄，拱桥形应变梁的宽度由两端向中间逐渐减小。

进一步地，连接臂固定于管夹上的端点为点，连接臂的另一端为等腰三角形的顶点，即点，连接臂的厚度由点向点逐渐变薄。

进一步地，管夹由钢制成，双三角光纤光栅传感器由铝合金制成。

进一步地，拱桥形应变梁的外径取值范围为11mm~20mm。

两个连接臂所成的夹角，即两个连接臂构成的等腰三角形的顶角为，的取值范围为=90°至=150°。

进一步地，拱桥形应变梁中间最薄处的厚度的取值范围为：=0.25mm至= 1.5mm。

拱桥形应变梁中间宽度最小值的取值范围为：=0.4mm至=2mm。

本发明还提供一种管道压力监测方法，利用本发明提供的基于光纤光栅传感器的增敏部件，具体包括如下步骤：

S1，在管道表面取一个微元体，当管道承受内压时，使管夹上产生周向力和周向应力，周向力分解为水平力和竖向拉力，其中水平力根据公式(1)计算得到：

（1）；

其中，连接臂通过销钉固定于管夹上，θ为两销钉与管夹几何中心连线的夹角，为管道内径，为微元体和管道圆心的连线与轴的夹角；微元体即为管道表面上的一点。

S2，引入系数和，水平力在某一连接臂上点处产生一个力，则有：

（2）；

其中，和为系数。

S3，、分别为连接臂上点的轴向张力和垂向张力：

（3）；

（4）；

其中，为连接臂的长度；为力矩。

根据图乘法原理，将归一化为1，简化为公式(5)和公式(6)：

（5）；

（6）；

其中，、和归一化后的力分别为、和。

进一步地，还包括如下步骤：

S4，利用材料力学中的卡氏第二定理计算连接臂竖向位移，计算过程如公式 (7)所示：

（7）；

其中，为连接臂横截面惯性矩，；为连接臂的横截面面积，，为管道内压。

为点的竖向位移量，的计算公式为：

（8）；

其中，为杨氏模量。

S5，考虑拱桥形应变梁的长度为，拱桥形应变梁的最终应变值由公式(9)所示：

（9）。

进一步地，还包括如下步骤：

S6，假定FBG的波长漂移量与管道内压之间存在一个系数，则有：

（10）；

其中，为光纤光栅的中心波长漂移量。

公式（9）代入公式，由公式（11）计算出FBG波长漂移值:

（11）。

其中，为，为有效光栅折射率；代表光栅反射周期，为光纤的热膨胀系数，为光纤的热光系数，为有效弹光系数；为光纤温度；为光纤温度变化量。

S7，进行温度补偿或假设温度恒定，即为零，得:

（12）。

系数由公式（13）计算得到：

（13）。

本发明具有如下有益效果：

在本发明提供的增敏部件，考虑传感器增敏部件的可加工性，提出渐变式拱桥形应变梁。该增敏部件在有限元计算软件中，在对管道内壁施加1MPa的情况下，可将管壁表面应变放大61.10倍。搭建管道压力监测实验，经由实验验证，在管道压力为1MPa时，本发明提供的增敏部件可将管壁应变放大20.53倍。相较传统的传感器增敏部件可将管壁应变放大5.07倍，有显著提升。

本发明提供的增敏部件属于非侵入式安装结构，对比现有技术中的传感器需要在管道开孔采用螺纹连接或焊接等方式固定在管道外壁，可以避免以下缺点：（1）本发明从非侵入式结构入手，完全隔绝管道内部介质，通过外壁应变来监测管内压力。保证管道的密封性，不改变管道力学性能，不影响管道的使用周期；（2）当测量介质具有腐蚀性，无需选用与测量介质兼容的材料或进行特殊的工艺处理，便可确保传感器不被损坏。（3）在便捷性方面，只需将增敏部件固定于管道上部即可完成监测，可根据需要在后期安装，随时拆装。（4）本发明可实现分布式测量，一条光纤可对管道沿线多点测量，非常适合于油气长输管道远距离大范围监测，适用于多种实际工程作业环境。（5）在成本方面，在实验中所采用的样品加工方式为线切割加工初步加工，少许部位采用加工中心进一步加工，加工方式、工艺较为成熟，对于成本有较好的控制。（6）本发明将裸光纤封装于该增敏部件上部以实现对脆弱的裸光纤的保护，可适用于野外恶劣环境，相比裸光纤直接监测的方法更具有可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1示出了本发明的一种基于光纤光栅传感器的增敏部件的整体结构图。

图2示出了本发明的双三角光纤光栅传感器的结构图。

图3示出了图2的左视图。

图4示出了将本发明提供的增敏部件安装于管道上的总装配图。

图5示出了图1的主视图。

图6示出了内压作用下管壁应力-应变状态图。

图7示出了双三角光纤光栅传感器的受力分析图。

图8示出了图7的C处的细节放大图。

图9示出了不同拱桥形应变梁外径下拱桥形应变梁中点处应变值的变化曲线图。

图10示出了不同角度下拱桥形应变梁中点处应变值的变化曲线图。

图11示出了不同拱桥形应变梁的最小厚度下拱桥形应变梁中点处应变值的变化曲线图。

图12示出了不同拱桥形应变梁的最小宽度下拱桥形应变梁中点处应变值的变化曲线图。

图13示出了#3FBG由温度引起的中心波长变化图。

图14示出了#1FBG的中心波长变化图。

图15示出了#2FBG的中心波长变化图。

以上附图中的附图标记为：

10、管夹；20、双三角光纤光栅传感器；21、连接臂；22、拱桥形应变梁；30、管道壁；40、销钉。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示的一种基于光纤光栅传感器的增敏部件，包括：管夹10和双三角光纤光栅传感器20；管夹为环形且具有开口，双三角光纤光栅传感器连接于开口的两端，增敏部件套设于待测管道壁30上；双三角光纤光栅传感器由四个连接臂21和拱桥形应变梁22构成，四个连接臂和拱桥形应变梁一体成型，四个连接臂构成两个顶点相对的等腰三角形，四个连接臂的一端固定于双三角光纤光栅传感器上，每两个连接臂的另一端相交于一点形成等腰三角形的顶点，拱桥形应变梁连接两个顶点，拱桥形应变梁上封装FBG传感器。

具体地，管夹与待测管道壁相接触的内壁为圆形，管夹的外壁为八边形。

具体地，拱桥形应变梁的厚度由与连接臂的连接处向中间逐渐变薄，即厚度由逐渐减小为，拱桥形应变梁的宽度由两端向中间逐渐减小，即宽度由逐渐减小为。为连接臂在端点处的厚度。

具体地，连接臂固定于管夹上的端点为点，连接臂的另一端为等腰三角形的顶点，即点，连接臂的厚度由点向点逐渐变薄。

具体地，管夹由钢制成，双三角光纤光栅传感器由铝合金制成。

具体地，拱桥形应变梁外径取值范围为11mm~20mm；两个连接臂所成的夹角，即两个连接臂构成的等腰三角形的顶角为，的取值范围为=90°至=150°。通过改变值可以改变该结构的应变灵敏度。

具体地，拱桥形应变梁中间最薄处的厚度的取值范围为：=0.25mm至= 1.5mm；拱桥形应变梁中间宽度最小值的取值范围为：=0.4mm至=2mm。

拱桥形应变梁的长度、最小宽度和最小厚度分别用、和表示，管夹外部轮廓为八边形，内轮廓为圆形，外部轮廓切圆半径记为，内部轮廓圆半径记为。将与之间的差值称为管夹的厚度，记为（）。

双三角光纤光栅传感器两端为对称的三角形应变梁（即四个连接臂构成的三角形应变梁），在拱桥形应变梁的设计上考虑到拱桥形具有力学传递性能好、结构牢固稳定不易变形的优点，受到拱桥式桥梁结构的启发，两端的三角形应变梁由中间的上平下拱式的拱桥形应变梁连接。为了使目标管道管壁上的应变更好地传递到拱桥形应变梁上，减少在传递过程中的能量损失，双三角光纤光栅传感器需要具备优异的力学传递性能以起到应变放大作用，所以在连接臂或拱桥形应变梁的设计上均采取了厚度渐变的设计思路。两端的三角形应变梁厚度由螺栓厚度逐渐减小为拱桥形应变梁两端处的厚度，所以图3中从销钉处到拱桥形应变梁连接处的切面图为等腰梯形，而非传统设计中的矩形。此外，从图2 和图3中可以清晰地观察到在本发明中拱桥形应变梁由两端至中点处的宽度从逐渐减小为，由两端至中点处的厚度从，逐渐减小为。拱桥形和厚度渐变式的结构设计均是考虑到提升双三角光纤光栅传感器的增敏效果以及使结构具备较为合理的应力分布，进而提高结构的耐用性。如图4所示，双三角光纤光栅传感器通过销钉固定在管夹上，管夹结构外壁呈正八边形、内壁为半径与管道外径相适配地圆形，再通过螺栓将左右对称的管夹固定于目标管道上，在拱桥形应变梁上封装FBG传感器，应变值大小可由FBG的中心波长所测量出来。由此，便可实现FBG传感器对管道压力的监测，总装配结构如图4所示。

结合管壁实际受力情况，分析本发明提供的增敏部件的应变传递路径，利用静力平衡方程和物理方程建立管壁力学模型，分析其放大原理并量化应变放大倍数。在内压作用下产生的管壁上的应力首先传递到管夹上，随后传递到三角形应变梁上，传递过程中经过多级放大后其最终应变值由FBG传感器测量得到。

S1，内压作用下管壁应力-应变状态如图6所示，在管道表面取一个微元体，当管道承受内压时，使管夹上产生周向力和周向应力，由图6可以看出的大小与管夹夹角θ 有关，将周向力分解为水平力和竖向拉力，其中水平力根据公式(1)计算得到：

（1）；

其中，连接臂通过销钉40固定于管夹上，如图5所示，θ为两销钉与管夹几何中心连线的夹角，为管道内径，为微元体和管道圆心的连线与轴的夹角；微元体即为管道表面上的一点。

S2，管夹上的销钉将水平拉力传递到双三角光纤光栅传感器两端。由于管壁、管夹和双三角光纤光栅传感器三者的连接部件之间存在摩擦，会使力在传递过程中产生一定的能量损失。水平力不能完全传递到双三角光纤光栅传感器上。因此，引入系数和，水平力在某一连接臂上点处产生一个力，则有：

（2）；

其中，和为系数。

S3，在力的作用下，双三角光纤光栅传感器在梁上会产生一定的水平位移和垂直位移，如图7和图8所示，点的水平位移和点竖向位移分别用和表示。实际上，水平位移和竖向位移之间存在放大关系。由于双三角光纤光栅传感器结构的对称性，仅标记放大部分的1/4即可完成双三角形应变片的力学分析。随后，基于广义图乘法（GDMM）建立力的平衡方程和弯矩平衡方程，其关系可表示为公式(3)和公式(4)。、分别为连接臂上点的轴向张力和垂向张力：

（3）；

（4）；

其中，为连接臂的长度；为力矩。

根据图乘法原理，将归一化为1，简化为公式(5)和公式(6)：

（5）；

（6）；

其中，、和归一化后的力分别为、和。

具体地，还包括如下步骤：

（7）；

其中，为连接臂横截面惯性矩，；为连接臂的横截面面积，，为管道内压；

为点的竖向位移量，由于双三角光纤光栅传感器结构在左右两侧上的对称性，很容易得到为的两倍，因此，的计算公式为：

（8）；

其中，为杨氏模量。

S5，由于双三角光纤光栅传感器也为上下对称结构，竖向总变形量为的2倍。考虑拱桥形应变梁的长度为，拱桥形应变梁的最终应变值由公式(9)所示：

（9）。

具体地，还包括如下步骤：

S6，通过计算拱桥形应变梁的应变值可以间接测量管道内部压力。但由于摩擦系数和是不确定的，因此应变值无法通过公式（9）进行精确的计算。可以通过有限元数值模拟得到该应变值的准确值，将该应变值与管壁应变值进行比较即可确定该结构的放大倍数。同时，假定FBG的波长漂移量与管道内压之间存在一个系数，则有：

（10）；

其中，为光纤光栅的中心波长漂移量。

公式（9）代入公式，由公式（11）计算出FBG波长漂移值:

（11）；

S7，进行温度补偿或假设温度恒定，即为零，得:

（12）。

由公式（12）可知，在确定增敏部件具体尺寸参数的情况下，FBG波长漂移量与管道压力呈现一定的关系。系数由公式（13）计算得到：

（13）。

由以上分析可见，管道内压力与该增敏部件上的应变值ε呈现一定数量关系，通过解调仪读取光纤光栅的中心波长漂移量实现对管道内压力的间接监测。

增敏部件的应变放大效果与双三角光纤光栅传感器有关。因此为了得到更加精确的应变放大倍数，在本节采用Ansys workbench有限元分析软件建立了管道和增敏部件的有限元模型。管道长度、厚度、内径分别设定为500.0mm、3.0mm、83.0mm。增敏部件的初始尺寸见表1所示。

表1 增敏部件初始参数尺寸

。

管道和管夹材料设置为304钢和45钢，双三角形应变片材料设置为6061铝合金。有限元模型中所涉及材料的性质总结见表2所示。

表2 有限元模型的材料特性

。

对管道内壁施加1.0MPa的恒定压力，根据实际工况对模型边界设置约束条件。首先，将管道两端设为固定端约束、将管道外壁面与管夹、管夹与双三角光纤光栅传感器的转动铰连接处设置为滑动摩擦，随后进行求解。

本发明提供的增敏部件的应变放大效果与其结构尺寸有关。因此，通过有限元分析环境的建立对增敏部件关键参数进行优化。参数优化只选取对应变放大效果有明显影响的主要参数，其中，选取的优化参数为、、和。所选取参数的初始值设置为表1所示。然后，在管道内表面施加1.0MPa的压力。为了得到设计结构的应变灵敏度随着选定参数的变化趋势，每个参数均仿真五次并以平均值为结果，确保结果的可靠性。

(1) 参数优化分析：

在有限元分析软件中改变增敏部件的拱桥形应变梁外径，通过比较不同下增敏部件的放大效果来确定其最优值，为保证测试结果的准确性，在本组模拟中增敏部件的其它结构参数均保持表1中的值不变。增敏传感器的放大效果通过软件计算得到的传感器弧形应变梁中点处应变与圆管外壁应变的比值来体现，比值越大说明增敏部件的放大效果越好。

通过比较不同下增敏传感器的放大效果来确定最优值，在本组模拟中取120°，其它参数均保持表1中的值不变。考虑到传感器的耐用性以及实际加工的可行性，拱桥形应变梁的弧度不可过大，由于拱桥形应变梁的两端已被固定，因此在调整弧度时只能通过改变圆弧的圆心和半径才能实现，半径越小拱桥形应变梁的弧度越大。模拟了从=11mm至= 20mm，每隔1mm取一组，共计10组不同拱桥形应变梁外径R下增敏传感器对应变的放大情况，此外，管道外壁应变值、拱桥形应变梁中点处应变值以及放大倍数均记录于表3中。

表3 不同下应变测量值

。

将仿真结果绘制成不同拱桥形应变梁外径下拱桥形应变梁中点处应变值的变化曲线图，如图9所示，随着拱桥形应变梁外径的增加，增敏部件的放大倍数从11.01增加到30.33。这意味着在一定范围内，的值越大，增敏部件的放大倍数越大，考虑加工难度，以及在实际安装过程中，过细的拱桥形应变梁过于容易损坏，设置为11mm，因此将拱桥形应变梁设计成上部水平，下部弯曲的桥型结构。

(2) 参数优化分析：

本组模拟中传感器的其它结构参数均保持表1中的值不变，角度过大或者过小都不符合实际的工程应用，因此在软件中选取了工程中常用的从=90°至=150°，每隔15°取一组共计5组不同下增敏部件对应变的放大情况，圆管外壁应变值、拱桥形应变梁中点处应变值以及放大倍数均记录于表4中。

表4 不同下应变测量值

。

如图10所示，随着的增加，增敏部件的放大倍数从41.31增加到60.57，而后又减小到56.87。这意味着在一定范围内，的值在120°时，增敏部件的放大倍数最大，因此将的值设置为120°。

(3) 参数优化分析：

在本组模拟中=120°，其它参数均保持表1中的值不变，在软件中模拟了从= 0.25mm至=1.5mm，每隔0.25mm取一组共计6组不同拱桥形应变梁的最小厚度下增敏传感器对应变的放大情况，此外，管道外壁应变值、拱桥形应变梁中点处应变值以及放大倍数均记录于表5中。

表5 不同下应变测量值

。

如图11所示，随着拱桥形应变梁的最小厚度的增加，增敏部件的放大倍数从 60.57减小到12.96。这意味着在一定范围内，拱桥形应变梁的最小厚度越大，增敏部件的放大倍数越小。考虑到较小的值会导致整个应变梁结构过于薄，因此将拱桥形应变梁的最小厚度设置为0.25mm。

(4) 参数优化分析：

在本组模拟中β=120°、=0.25mm，其它参数均保持表1中的值不变。在软件中模拟了从=0.4mm至=2mm，取共计6组不同拱桥形应变梁的最小宽度下增敏部件对应变的放大情况，此外，管道外壁应变值、拱桥形应变梁中点处应变值以及放大倍数均记录于表6中。

表6 不同下应变测量值

。

如图12所示，随着的增加，增敏部件的放大倍数从84.70减小到42.80。这意味着在一定范围内，的值越大，增敏部件的放大倍数越小。考虑到较小的值会导致拱桥形应变梁结构强度不够，因此将应变梁的最小宽度设置为1mm。

下面对本发明提供的增敏部件的灵敏度进行验证：

基于上述过程确定的增敏部件参数，搭建管道压力监测实验平台，验证所设计的应变增敏部件的实际效果。整套试验系统包括FBG解调仪、压力泵、管道、设计的应变增敏部件、笔记本电脑和若干连接线等。

试验系统中所采用的管道材质为304钢，其长度、内径和壁厚分别为500.0mm、83.0mm和3.0mm。管道两端采用法兰盘固定，一端为完全密封，一端接软管作为压力泵输入输出口（带泄压阀）。压力泵、FBG解调仪，其最大采样频率为1000.0Hz，最大分辨率为1.0pm。

将增敏部件上的FBG标记为#1FBG，与管道轴线平行。管道壁上的FBG标记为#2FBG，垂直于管道轴线。实验室温度保持在25.0°C左右。为了减少温度的影响，用于温度补偿的#3FBG固定于管道上，只固定一端，一端自由。用353ND专用胶将三根FBG分别粘贴在相应位置上，采用的FBG具体参数如表7所示。

表7 FBG详细参数

。

通过压力泵将管道压力从0MPa加压到1.0MPa，为确保数据稳定性，每次取样间隔为0.1MPa，共取10个样本点进行评估，记录#1FBG和#2FBG中心波长变化情况。为了验证增敏部件的准确性和可靠性，进行两组样品测试且对每个样品分别进行加压和减压两个循环过程。将#1FBG和#2FBG中心波长变化换算为管道的应变值后，记录如表8所示。

表8 试验数据和相对误差

。

由FBG工作原理可知，应变及温度改变均会使光纤的中心波长发生漂移。因此，为了排除温度对试验测试结果的影响，实验过程中同步记录了#3FBG在5分钟内的中心波长变化，如图13所示。黑色线条为原始信号，红色线条为经小波变换与降噪后的信号。由图13可知，#3FBG的中心波长几乎是恒定的，这意味着在试验过程中温度基本保持不变，即ΔT=0。因此，可以忽略试验过程中温度对测试结果的影响。

为了更直观显示出该增敏部件的实际应变放大倍数。将试验所得#1FBG和#2FBG的中心波长数据进行线性拟合。图14显示了粘结在增敏部件上#1FBG获得的测量结果。可以看出，#1FBG的中心波长位移与管道内压力变化呈线性关系，在试验中测的增敏部件灵敏度约为1475.8pm/MPa，拟合系数F_c=0.9744，拟合曲线为y=1475.8x+14.006；从#2FBG所反映的结果来看，中心波长位移与管道内压力之间也表现出明显的线性关系，如图15所示，管道外表面的灵敏度为71.9pm/MPa，拟合系数F_c=0.9737，拟合曲线为：y=71.901x+0.4867，可见，该增敏部件有效地放大了由压力变化引起的管道表面的应变值，与管道应变相比，其放大倍数约为20.53（1475.8/71.9=20.53）。

实验结果表明：本发明提供的增敏部件可将管道表面应变放20.53倍，进行多组重复试验验证该增敏部件的有效性与可靠性。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于光纤光栅传感器的增敏部件，其特征在于，包括：管夹和双三角光纤光栅传感器；所述管夹为环形且具有开口，所述双三角光纤光栅传感器连接于所述开口的两端，所述增敏部件套设于待测管道壁上；所述双三角光纤光栅传感器由四个连接臂和拱桥形应变梁构成，四个所述连接臂和所述拱桥形应变梁一体成型，四个所述连接臂构成两个顶点相对的等腰三角形，四个所述连接臂的一端固定于所述双三角光纤光栅传感器上，每两个所述连接臂的另一端相交于一点形成等腰三角形的顶点，所述拱桥形应变梁连接两个所述顶点，所述拱桥形应变梁上封装FBG传感器。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅传感器的增敏部件，其特征在于，所述管夹与待测管道壁相接触的内壁为圆形，所述管夹的外壁为八边形。

3.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅传感器的增敏部件，其特征在于，所述拱桥形应变梁的厚度由与所述连接臂的连接处向中间逐渐变薄，所述拱桥形应变梁的宽度由两端向中间逐渐减小。

4.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅传感器的增敏部件，其特征在于，所述连接臂固定于所述管夹上的端点为点，所述连接臂的另一端为等腰三角形的顶点，即点，所述连接臂的厚度由点向点逐渐变薄。

5.根据权利要求4所述的一种基于光纤光栅传感器的增敏部件，其特征在于，所述管夹由钢制成，所述双三角光纤光栅传感器由铝合金制成。

6.根据权利要求5所述的一种基于光纤光栅传感器的增敏部件，其特征在于，所述拱桥形应变梁外径取值范围为11mm~20mm；两个所述连接臂所成的夹角，即两个连接臂构成的等腰三角形的顶角为，的取值范围为=90°至=150°。

7.根据权利要求3所述的一种基于光纤光栅传感器的增敏部件，其特征在于，所述拱桥形应变梁中间最薄处的厚度的取值范围为：=0.25mm至=1.5mm；所述拱桥形应变梁中间宽度最小值的取值范围为：=0.4mm至=2mm。

8.一种管道压力监测方法，利用权利要求1-7中任意一项所述的基于光纤光栅传感器的增敏部件，其特征在于，具体包括如下步骤：

（1）；

其中，连接臂通过销钉固定于管夹上，θ为两销钉与管夹几何中心连线的夹角，为管道内径，为微元体和管道圆心的连线与轴的夹角；微元体即为管道表面上的一点；

（2）；

其中，和为系数；

S3，、分别为连接臂上点的轴向张力和垂向张力：

（3）；

（4）；

其中，为连接臂的长度；为力矩；

根据图乘法原理，将归一化为1，简化为公式(5)和公式(6)：

（5）；

（6）；

其中，、和归一化后的力分别为、和。

9.根据权利要求8所述的一种管道压力监测方法，其特征在于，还包括如下步骤：

S4，利用材料力学中的卡氏第二定理计算连接臂竖向位移，计算过程如公式(7)所示：

（7）；

为点的竖向位移量，的计算公式为：

（8）；

其中，为杨氏模量；

（9）。

10.根据权利要求9所述的一种管道压力监测方法，其特征在于，还包括如下步骤：

（10）；

其中，为光纤光栅的中心波长漂移量；

公式（9）代入公式，由公式（11）计算出FBG波长漂移值:

（11）；

其中，为，为有效光栅折射率；代表光栅反射周期，为光纤的热膨胀系数，为光纤的热光系数，为有效弹光系数；为光纤温度；为光纤温度变化量；

S7，进行温度补偿或假设温度恒定，即为零，得:

（12）；

系数由公式（13）计算得到：

（13）。